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Measurement of the Inclusive pp->Z/gamma*->e+e- Cross Section at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS Experiment and Design Studies for a First Level Track Trigger for the ATLAS Trigger Upgrade at the future High Luminosity LHC

Schmitt, Sebastian

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Abstract

This dissertation presents in the first part a measurement of the inclusive pp->Z/gamma*->e+e- production cross section with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). For this, proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7 TeV collected in 2011 corresponding to an integrated luminosity of 4.6 fb^-1 are analyzed. The cross section is determined in three regions of Z/gamma* mass, 46-66 GeV, 66-116 GeV and 116-150 GeV; and in addition differentially in Z/gamma* rapidity. The mass determines the scale of the interaction, whereas the rapidity gives information about the momentum fractions of the initial protons the interacting partons carry. This makes the measurement valuable for the study of the proton structure, i.e. as input to fits of parton density functions (PDF). Backgrounds are taken from simulation with the exception of the multi-jet background which is estimated using a data-driven technique. The resulting cross sections are compared to predictions of next-to next-to-leading order QCD calculations using different PDFs. Differences are observed and only some PDFs show good agreement with the data. The presented measurement can thus be used in future PDF fits to better constrain the quark and gluon densities in the proton.

The second part studies a possible design for adding track information to the first level trigger of the ATLAS detector in the scope of the proposed upgrade of the LHC, the High Luminosity LHC (HL-LHC). The planned increase in luminosity by a factor 5-10 w.r.t. the nominal LHC conditions puts strong demands on the rejection capability of the trigger. Using track information in conjunction with information from the calorimeter and muon system helps to maintain pT thresholds at the electroweak scale. A fast decision within the trigger latency can be achieved exploiting hardware based pattern matching using Content-Addressable-Memories. The number of necessary patterns and the expected number of fake tracks per event are studied with dedicated simulations. To reduce the data volume that needs to be transferred to the foreseen track finding units, techniques are developed to reject hits from low transverse momentum particles. The studies performed within this thesis indicate that a track trigger finding all tracks with pT > 10 GeV can be built. If realized it will help ATLAS to continue a versatile physics program also in the HL-LHC era.

Translation of abstract (German)

Im ersten Teil dieser Dissertation wird die Messung des inklusiven Wirkungsquerschnitts der pp->Z/gamma*->e+e Produktion mit dem ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider (LHC) vorgestellt. Dafür wurden Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 7 TeV analysiert. Diese Daten wurden 2011 gemessen und entsprechen einer integrierten Luminosität von 4.6 fb^-1. Der Wirkungsquerschnitt wurde für drei Bereiche der Z/gamma*-Masse bestimmt: 46-66 GeV, 66-116 GeV und 116-150 GeV. Zusätzlich wurde der in der Z/gamma*-Rapidität differentielle Wirkungsquerschnitt gemessen. Die Masse bestimmt die Energieskala der Wechselwirkung, während die Rapidität Informationen über den Impulsanteil der beteiligten Partonen an den einlaufenden Protonen enthält. Dadurch wird die Messung nutzbar für die Untersuchung der Protonenstruktur, z.B. als Basis von Fits der Partonendichtefunktionen (PDF). Der Multijet-Hintergrund der Messungen wurde mittels einer datenbasierten Technik abgeschätzt alle anderen Anteile des Hintergrunds wurden durch Simulationen bestimmt. Die resultierenden Wirkungsquerschnitte wurden mit Vorhersagen von "next-to-next-to-leading order"-QCD-Berechnungen verglichen, wobei unterschiedliche PDFs verwendet wurden. Nur einige der PDFs zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Daten. Deshalb können die vorgestellten Messungen in zukünftigen PDF-Fits verwendet werden, um Quark- und Gluondichten im Proton besser eingrenzen zu können.

Der zweite Teil untersucht ein mögliches Design, um Spurinformationen auf dem ersten Triggerlevel des ATLAS-Detektors nutzen zu können. Dies geschieht in Hinblick auf den vorgeschlagenen Ausbau des LHC zum High Luminosity LHC (HL-LHC). Der geplante Anstieg der Luminosität um einen Faktor 5-10 bezogen auf die nominellen LHC-Werte, stellen hohe Anforderungen an die Selektivität des Triggers. Die Verknüpfung von Spurinformationen mit Daten aus dem Kalorimeter und dem Myonensystem kann dazu beitragen, Schwellwerte für pT im elektroschwachen Energiebereich beizubehalten. Eine schnelle Entscheidung innerhalb der Trigger-Latenzzeit kann mit der Nutzung von Hardware-basierten Mustererkennungen unter Verwendung von Content-Addressable-Memories erreicht werden. Die Anzahl der benötigten Muster und die erwartete Anzahl von falsch identifizierten Spuren pro Ereignis wurden mit Hilfe von dedizierten Simulationen untersucht. Um das Datenvolumen zu reduzieren, das an die vorgesehenen Spurfindungseinheiten übertragen werden muss, wurden Techniken entwickelt, um Beiträge von Teilchen mit niedrigem Transversalimpuls auszusortieren. Untersuchungen, die Teil dieser Arbeit sind, zeigen, dass ein Spur-Trigger gebaut werden kann, der alle Spuren mit pT > 10 GeV erkennt. Wenn er verwirklicht wird, kann er zu einem vielfältigen Physikprogramm des ATLAS-Detektors in der Zeit des HL-LHC beitragen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schöning, Prof. Dr. André
Date of thesis defense: 31 October 2013
Date Deposited: 07 Nov 2013 13:52
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
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